CH698171B1 - Reciprocating internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger with absorption silencer. - Google Patents
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Abstract
Um bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Grossdiesel-Motor, mit wenigstens einem Abgasturbolader dessen Ladeluftausgang (13) mittels einer Verbindungsleitung mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler verbunden ist, und dem Mittel in Form eines Absorptionsschalldämpfers zur Reduktion von Schallemissionen zugeordnet sind, den Schalldämpfer mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass einerseits eine einfache und kompakte Bauweise der Schallbekämpfungsmassnahmen erhalten bleibt und andererseits dennoch auch eine hohe Dämpfungswirkung sowie eine lange Lebensdauer zu erreichen, jedoch ohne die Austragungen eines porösen Materials in Kauf zu nehmen, ist vorgesehen, dass wenigstens in einem strömungsführenden Element des Abgasturboladers der Absorptionsschalldämpfer (21) integriert ist, derart dass eine den zugeordneten Strömungskanal begrenzende, als akustisch durchlässiger Austragsschutz (23) ausgebildete innere Rohrwandung vorgesehen ist, die von einem Aussenrohr (24) mit radialem Abstand etwa koaxial umfasst wird, so dass mindestens eine Ringkammer (25) ausgebildet wird, die mit einem Absorptionswerkstoff aus Aramidfasern (hergestellt aus poly-(Paraphenylen-Terephthalamid), auch Kevlar genannt, Markenname von DuPont) ausgefüllt ist.In order for a reciprocating internal combustion engine, in particular large diesel engine, with at least one exhaust gas turbocharger whose charge air outlet (13) is connected by means of a connecting line with a downstream intercooler, and the means are assigned in the form of an absorption silencer for the reduction of noise emissions, the muffler with simple and inexpensive means to improve so that on the one hand a simple and compact design of the sound control measures is maintained and on the other hand to achieve a high damping effect and a long life, but without taking the discharges of a porous material in purchasing, it is provided that at least in a flow-guiding element the exhaust gas turbocharger of the absorption muffler (21) is integrated, such that an inner tube wall which delimits the associated flow channel and is designed as an acoustically permeable discharge protection (23) is provided an outer tube (24) with a radial distance is approximately coaxially, so that at least one annular chamber (25) is formed, which is filled with an absorbent material of aramid fibers (made of poly (paraphenylene terephthalamide), also called Kevlar, brand name of DuPont) is.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Grossdieselmotor mit wenigstens einem Abgasturbolader, dessen Ladeluftausgang mittels einer Verbindungsleitung mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler verbunden ist, und dem Mittel zur Reduktion von Schallemissionen zugeordnet sind. The invention relates to a reciprocating internal combustion engine, in particular a large diesel engine with at least one exhaust gas turbocharger whose charge air outlet is connected by means of a connecting line with a downstream intercooler, and the means for reducing noise emissions are assigned.
Bei aufgeladenen Hubkolbenbrennkraftmaschinen werden durch den Verdichter des Turboladers Pulsationen erzeugt und in die Ladeluftleitung übertragen. Die dadurch entstehenden Geräusche werden durch das Gehäuse des Ladeluftkühlers verstärkt, das wie ein Resonanzboden wirkt. In turbocharged reciprocating internal combustion engines are generated by the compressor of the turbocharger pulsations and transmitted to the charge air line. The resulting noise is amplified by the housing of the intercooler, which acts like a soundboard.
Lange wurde versucht, die Emission des im Abgasturbolader entstehenden Schalls durch eine Schallisolation besonders gefährdeter Elemente zu reduzieren. Dabei ist davon auszugehen, dass eine Schallisolation von Leitungen bzw. Gehäusen nur dann brauchbare Ergebnisse erbringen kann, wenn diese Isolation auf der ganzen Länge der Leitungen bzw. auf der ganzen Oberfläche der Gehäuse angebracht werden kann. Dies ist jedoch vielfach bereits aus baulichen Gründen nicht möglich. Die Schallisolation besteht nämlich aus einer vergleichsweise dicken Dämmmaterialschicht, die mit einem Blech ummantelt ist. Dies erfordert viel Bauraum, der oft nicht vorhanden ist. Ausserdem erfordert die Anbringung einer Schallisolation einen vergleichsweise hohen Aufwand, da die gefährdeten Leitungen etc. in der Regel schlecht zugänglich sind. Ein weiterer, ganz besonderer Nachteil ist darin zu sehen, dass sich das Dämmmaterial bei hohen Temperaturen, die im Bereich seines Abgasturboladers auftreten, leicht zersetzen kann, so dass nach einer bestimmten Zeit die Isolationswirkung abnimmt. For a long time, attempts were made to reduce the emission of the sound produced in the exhaust gas turbocharger by soundproofing particularly endangered elements. It can be assumed that sound insulation of pipes or housings can only provide useful results if this insulation can be applied over the entire length of the pipes or over the entire surface of the housings. However, this is often not possible for structural reasons. The sound insulation consists of a comparatively thick insulating material layer, which is covered with a sheet metal. This requires a lot of space, which is often not available. In addition, the attachment of a sound insulation requires a relatively high effort, since the vulnerable lines, etc., are generally difficult to access. Another, very particular disadvantage is the fact that the insulating material can easily decompose at high temperatures that occur in the region of its exhaust gas turbocharger, so that after a certain time, the insulation effect decreases.
Aus diesen Gründen wurde bereits in der DE 19 818 873 C2 eine Lösung vorgestellt, bei der wenigstens ein strömungsführendes Element des Abgasturboladers mit wenigstens einem auf dem Prinzip eines Helmholzresonators beruhenden Schalldämpfers versehen ist, der wenigstens eine Kammer enthält, die durch ein Lochblech vom zugeordneten Strömungskanal getrennt ist, dessen Lochgeometrie an die Wellenlänge der zu erwartenden Schallwellen angepasst ist und dessen Lochanteil in einem Bereich von etwa 0,5% bis 1,5% liegt. For these reasons, DE 19 818 873 C2 has already presented a solution in which at least one flow-guiding element of the exhaust-gas turbocharger is provided with at least one muffler based on the principle of a Helmholtz resonator, which contains at least one chamber which passes through a perforated plate from the associated flow channel is separated, whose hole geometry is adapted to the wavelength of the expected sound waves and whose hole proportion is in a range of about 0.5% to 1.5%.
Der nach dem Helmholz-Prinzip arbeitende Schalldämpfer kann trotz kompakter Bauweise viel Schallenergie absorbieren. Im Bereich jedes Lochs des Lochblechs ergibt sich nämlich praktisch ein Feder-, Masse-, Schwingungssystem, indem die sich im Loch befindliche Fluidmasse bei einer Anregung durch eine Schallwelle schwingt, wobei das in der Kammer sich befindende Fluidvolumen als Feder wirkt. Aufgrund der starken Reibung, die sich an den Lochwänden, bei denen ein Lochanteil bezüglich des Lochbleches in einem Bereich von etwa 0,5% bis 1,5% vorgesehen ist, ergibt, resultiert eine starke Dämpfung. Da der Schalldämpfer in radialer Richtung, d.h. Lotrecht zum Lotblech, vergleichsweise wenig Bauraum benötigt, ist in vorteilhafter Weise eine Anordnung des Schalldämpfers nicht nur im Bereich peripherer Leitungen und Gehäuse etc. möglich. Vielmehr ist auch ein Einbau direkt in den Abgasturbolader möglich. The muffler, which works on the Helmholz principle, can absorb a lot of sound energy despite its compact design. Namely, in the region of each hole of the perforated sheet, a spring, mass and vibration system results practically in that the fluid mass in the hole vibrates when excited by a sound wave, whereby the volume of fluid in the chamber acts as a spring. Due to the strong friction that is provided at the hole walls, in which a hole proportion is provided with respect to the perforated plate in a range of about 0.5% to 1.5%, results in a strong damping. Since the muffler in the radial direction, i. Lotrecht to the solder sheet, comparatively little space required, is advantageously an arrangement of the muffler not only in the range of peripheral lines and housing, etc. possible. Rather, an installation directly into the exhaust gas turbocharger is possible.
Ebenfalls beispielsweise aus der DE 3 531 353 C2 sind bereits Absorptionsschalldämpfer, die zwischen Turbolader und Ladeluftkühler integriert sind, bekannt geworden. Dabei ist ein Einlassstutzen zum Anschluss des Ladeluftkühlers an den Lader vorgesehen, in den eben der Absorptionsschalldämpfer eingesetzt ist und ein rohrförmiges Schallabsorptionselement aus einem elastischen, porösen Material und einem zylindrischen, mit Öffnungen versehenen Innenrohr aus einem zähelastischen Werkstoff umfasst. Likewise, for example, from DE 3 531 353 C2 already absorption silencer, which are integrated between the turbocharger and intercooler, have become known. In this case, an inlet connection for connecting the intercooler is provided to the charger, in the just used the absorption muffler and a tubular sound absorption element of a resilient, porous material and a cylindrical, provided with openings inner tube comprises a tough elastic material.
Als Material für das Absorptionselement hat sich offenporiger Schaumstoff bewährt. Auch werden bereits für diesen Zweck Mineralstoffe, bzw. glasartige Glasfaserverbindungen mit einem Silicatanteil verwendet. As a material for the absorption element, open-cell foam has been proven. Also already used for this purpose minerals, or glassy glass fiber compounds with a silicate content.
Dieses Material ist sehr porös und hat somit den Nachteil, dass durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Ladeluft es zu Austragungen dieses porösen Materials kommen kann, die sich in den feinen Kühlrippen des Ladeluftkühlers ablagern können. Zur notwendigen Reinigung ist dann ein aufwändiger Ladeluftkühlerausbau erforderlich und eine Reinigung in Säurebädern durchzuführen, was wiederum aufwändig und sehr unbeliebt ist. This material is very porous and thus has the disadvantage that due to the high flow rate of the charge air, it can lead to discharges of this porous material, which can be deposited in the fine cooling fins of the intercooler. For the necessary cleaning then a complex intercooler removal is required and carry out a cleaning in acid baths, which in turn is costly and very unpopular.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass einerseits eine einfache und kompakte Bauweise der Schallbekämpfungsmassnahmen erhalten bleibt, ohne die Lösung mit einem Resonanzschalldämpfer verwenden zu müssen und andererseits dennoch auch eine hohe Dämpfungswirkung sowie eine lange Lebensdauer zu erreichen, jedoch ohne die oben bezeichneten Nachteile, insbesondere die Austragungen eines porösen Materials in Kauf zu nehmen. On this basis, it is the object of the present invention to improve an arrangement of the kind mentioned with simple and inexpensive means so that on the one hand a simple and compact design of the sound control measures is maintained without having to use the solution with a resonance muffler and on the other hand also a To achieve high damping effect and a long life, but without the disadvantages mentioned above, in particular to take the discharges of a porous material in purchasing.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is solved by the characterizing features of claim 1.
Dadurch dass wenigstens in einem strömungsführenden Element des Abgasturboladers der Absorptionsschalldämpfer integriert ist, derart dass eine den zugeordneten Strömungskanal begrenzende, als akustisch durchlässiger Austragsschutz ausgebildete innere Rohrwandung vorgesehen ist, die von einem Aussenrohr mit radialem Abstand etwa koaxial umfasst wird, so dass mindestens eine Ringkammer ausgebildet wird, die mit einem Absorptionswerkstoff aus Aramidfasern (hergestellt aus poly-(Paraphenylen-Terephthalamid), auch Kevlar genannt, Markenname von DuPont) ausgefüllt ist, ist eine gute Schallabsorption im oberen Frequenzbereich >1 kHz gewährleistet. The fact that at least in a flow-guiding element of the exhaust gas turbocharger, the absorption silencer is integrated, so that the associated flow channel limiting, designed as an acoustically permeable Austragsschutz trained inner tube wall is provided, which is coaxially surrounded by an outer tube with a radial distance, so that at least one annular chamber formed If an aramid fiber absorbent material (made of poly (paraphenylene terephthalamide), also called Kevlar, trade name of DuPont) is filled in, a good sound absorption is ensured in the upper frequency range> 1 kHz.
Aramidfasern haben etwa die gleiche Festigkeit wie Glasfasern (Dichte 1,44 g/cm<3>, Zugfestigkeit ca. 2.800 N/mm<2>), sind aber wesentlich zäher, sprich: Sie lassen sich wesentlich stärker dehnen bis zum Versagen. Sie sind organische Chemiefasern auf der Basis aromatischer Polyamide. Aramid fibers have about the same strength as glass fibers (density 1.44 g / cm 3, tensile strength about 2,800 N / mm 2), but are much tougher, that is: they can be stretch much more until failure. They are organic chemical fibers based on aromatic polyamides.
Dieser Absorptionsschalldämpferwerkstoff hat eine hohe Resistenz gegenüber mechanischer Materialaustragung (z.B. durch hohe Strömungsgeschwindigkeit). Durch Abrieb entstehen zwar Feinststaubpartikel, diese können aber z.B. mittels Industriestaubsauger leicht beseitigt werden. Es sind keine Spezialmaschinen oder die unbeliebte Reinigung mittels Säurebädern mehr erforderlich. This absorption silencer material has high resistance to mechanical material discharge (e.g., high flow velocity). Although abrasion causes fine dust particles, these can be used, for example. be easily removed by means of industrial vacuum cleaner. There are no special machines or the unpopular cleaning with acid baths longer required.
Des Weiteren ist die Faser weitgehend unempfindlich gegenüber Chemikalien und schwer entflammbar, besitzt also eine Temperaturbeständigkeit (Verkohlung bzw. Pyrolyse erst oberhalb ca. 300°C), damit ist ein Aufschmelzen oder Verbacken des Dämmwerkstoffs ausgeschlossen, da normalerweise kein Abgasturbolader-Rohr die Temperatur von 250°C überschreitet. Furthermore, the fiber is largely insensitive to chemicals and flame retardant, so has a temperature resistance (charring or pyrolysis only above about 300 ° C), so that melting or caking of the insulating material is excluded, since usually no exhaust gas turbocharger tube the temperature of Exceeds 250 ° C.
Ausserdem ist die Aramidfaser beständig (also langlebig) und bakteriell kaum abbaubar. Dies ist von unschätzbarem Wert im Falle des Auftretens von Kondenswasser. In addition, the aramid fiber is durable (ie durable) and bacterially hardly degradable. This is invaluable in case of condensation.
Ein Ausführungsbeispiel soll anhand der Zeichnung im Folgenden erläutert werden. In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen: <tb>Fig. 1<sep>eine Ansicht eines mit einem Abgasturboladers versehenen Grossdiesel-Motors, <tb>Fig. 2<sep>einen Schnitt durch die mit einem erfindungsgemässen Schalldämpfer versehene, an den Ladeluftausgang des Abgasturboladers anschliessende Rohrleitung.An embodiment will be explained with reference to the drawing below. In the drawing described below: <Tb> FIG. 1 <sep> is a view of a large diesel engine provided with an exhaust gas turbocharger, <Tb> FIG. 2 <sep> a section through the pipe provided with a silencer according to the invention, connected to the charge air outlet of the exhaust gas turbocharger.
Der der Fig. 1 zugrundeliegende Grossdiesel-Motor 1 besitzt mehrere, reihenförmig angeordnete Zylinder 2, deren Abgasauslass 3 an ein über alle Zylinder 2 sich erstreckendes Abgassammelrohr 4 angeschlossen ist. Vom Abgassammelrohr 4 führt eine Abgasleitung 5 zu einem Abgasturbolader 6, der eine durch das Abgas antreibbare Turbine 7 und einen von dieser antreibbaren Verdichter 8 zur Bereitstellung von den Zylindern 2 zuführbarer Ladeluft enthält. Die Abgasleitung 5 ist an den Ansaugstutzen 9 der Turbine 7 angeschlossen. Der Abströmstutzen 10 der Turbine 7 mündet in einen kanalartigen Abströmkanal 11. The underlying the Fig. 1 large diesel engine 1 has a plurality of cylinders arranged in rows 2, the exhaust outlet 3 is connected to an over all cylinder 2 extending exhaust manifold 4. From the exhaust manifold 4, an exhaust pipe 5 leads to an exhaust gas turbocharger 6, which contains a turbine 7 which can be driven by the exhaust gas and a compressor 8 which can be driven by the latter for providing charge air which can be supplied to the cylinders 2. The exhaust pipe 5 is connected to the intake 9 of the turbine 7. The outflow nozzle 10 of the turbine 7 opens into a channel-like outflow channel 11.
Dem Verdichter 8 des Abgasturboladers 6 ist ein Ladeluftkühler 12 nachgeordnet, der über eine Leitungsverbindung mit dem Druckstutzen 13 des Verdichters 8 verbunden ist. Diese Leitungsverbindung besteht hier aus einem an den Druckstutzen 13 anschliessenden Rohr 14 und einem hieran anschliessenden, in den Ladeluftkühler 12 einmündeten Diffusor 15. The compressor 8 of the exhaust gas turbocharger 6, a charge air cooler 12 is arranged downstream, which is connected via a line connection to the discharge nozzle 13 of the compressor 8. This line connection here consists of a subsequent to the discharge nozzle 13 pipe 14 and a subsequent thereto, in the intercooler 12 opened diffuser 15th
Im Abgasturbolader 6, insbesondere im Verdichter 8 des Abgasturboladers 6, entstehen Schallwellen, die sich in Strömungsrichtung des strömenden Mediums, also in der Luft bzw. im Abgas ausbreiten und daher dem Abgasturboladers 6 nachgeordnete Bauelemente zu Schwingungen und damit zu Schallemissionen anregen können. Um dem entgegenzuwirken, ist im Bereich des Abgasturboladers 6 wenigstens ein Schalldämpfer vorgesehen, der Schall dämpft. Der genannte Schalldämpfer kann auch in den Abgasturbolader 6 integriert sein. Da sich der Schall in Strömungsrichtung ausbreitet kommen hierfür in erster Linie die vom Abgasturbolader 6 wegführenden Leitungen in Frage. Hierbei handelt es sich um rohförmige Elemente, was den Einbau des Schalldämpfers erleichtert. In the exhaust gas turbocharger 6, in particular in the compressor 8 of the exhaust gas turbocharger 6, sound waves, which propagate in the flow direction of the flowing medium, ie in the air or in the exhaust gas and therefore the exhaust gas turbocharger 6 downstream components to vibrations and thus to noise emissions can be created. To counteract this, at least one silencer is provided in the region of the exhaust gas turbocharger 6, which dampens sound. The muffler may also be integrated in the exhaust gas turbocharger 6. Since the sound propagates in the direction of flow, the lines leading away from the exhaust gas turbocharger 6 come into consideration in the first place. These are rough-shaped elements, which facilitates the installation of the silencer.
Da der Verdichter 8 des Abgasturboladers 6 eine Hauptlärmquelle darstellt und der hier entstehende Lärm in Strömungsrichtung ausbreitet, werden bereits gute Ergebnisse erreicht, wenn im Bereich der an den Druckstutzen 13 des Verdichters 8 anschliessenden Leitungsverbindung zum Ladeluftkühler 12 ein Schalldämpfer erfindungsgemässer Art vorgesehen ist. Dieser kann in besonders bevorzugter Weise dem Rohr 14 zugeordnet sein, weshalb in Fig. 1das Rohrteil 14 gestrichelt dargestellt ist. Since the compressor 8 of the exhaust gas turbocharger 6 is a main source of noise and the noise generated here propagates in the flow direction, good results are already achieved if a silencer according to the invention is provided in the region of the pressure connection 13 of the compressor 8 subsequent line connection to the charge air cooler 12. This can be assigned to the tube 14 in a particularly preferred manner, which is why in Fig. 1, the tube member 14 is shown in dashed lines.
Zusätzlich oder alternativ kann auch der Diffusor 15 mit einem derartigen Schalldämpfer versehen sein. Dabei ist davon auszugehen, dass die Wirkung umso höher ist, je länger der Schalldämpfer ist. Auf Grund der oben vorgeschlagenen, verdichternahen Positionierung des Schalldämpfers wird eine Beaufschlagung im nachgeordneten Elemente mit Schallwellen reduziert, so dass dort eigene Schallbekämpfungsmassnahmen evtl. entfallen können. Dies gilt insbesondere für das Ansaugsystem des Dieselmotors 1. Additionally or alternatively, the diffuser 15 may be provided with such a silencer. It can be assumed that the longer the silencer, the higher the effect. Due to the above-proposed, near-compressor positioning of the muffler, an admission in the downstream elements is reduced with sound waves, so that there own sound control measures may possibly be omitted. This applies in particular to the intake system of the diesel engine 1.
Die Fig. 2 zeigt einen Abschnitt des mit einem erfindungsgemässen Schalldämpfer 21 versehenen Rohrs 14. Der Schalldämpfer 21 besitzt eine den Strömungskanal 22 begrenzende, als akustisch durchlässiger Austragsschutz ausgebildete innere Rohrwandung, die in besonders vorteilhafter Weise als Lochblech 23 ausgeführt ist. Diese wird von einem mit radialem Abstand angeordneten Aussenrohr 24 im Wesentlichen koaxial umfasst. Zwischen Lochblech 23 und Aussenrohr 24 ergibt eine Kammer 25, die mit dem erfindungsgemässen Absorptionswerkstoff ausgefüllt ist. Es ist eine über die ganze Länge des Schalldämpfers durchgehende und mit dem Absorptionswerkstoff ausgefüllte Kammer 25 vorgesehen. Natürlich sind auch unterteilte und ausgefüllte Kammern vorstellbar. FIG. 2 shows a section of the tube 14 provided with a silencer 21 according to the invention. The silencer 21 has an inner tube wall delimiting the flow channel 22 and designed as an acoustically permeable discharge protection, which is designed as a perforated plate 23 in a particularly advantageous manner. This is comprised by a radially spaced outer tube 24 is substantially coaxial. Between perforated plate 23 and outer tube 24 results in a chamber 25 which is filled with the inventive absorption material. It is provided over the entire length of the muffler continuous and filled with the absorption material chamber 25. Of course, also subdivided and filled chambers are conceivable.
Der erfindungsgemäss verwendete Absorptionswerkstoff benötigt die innenliegende Lochblechwandung 23 als mechanischen Schutz vor der Strömung. Diese Schutzeinrichtung hat zwar eine unerwünschte Durchmesservergrösserung der Wandung des strömungsführenden Bauteils zur Folge, dies ist jedoch an besonders vorteilhaft ausgewählten Bereichen tolerierbar. The absorption material used according to the invention requires the inner perforated metal sheet wall 23 as mechanical protection against the flow. Although this protective device has an undesirable increase in diameter of the wall of the flow-guiding component result, but this is tolerated particularly advantageous selected areas.
So kann vorteilhaft ein an den Ladeluftausgang 13 des Abgasturboladers 6 anschliessendes Rohr 14 mit dem Absorptionsschalldämpfer 21, oder ein in den Ladeluftkühler 12 einmündender Diffusor 15 mit dem Absorptionsschalldämpfer 21, oder der den Ladeluftausgang 13 bildende Druckstutzen des Verdichters 8 des Abgasturboladers 6 mit dem Absorptionsschalldämpfer versehen sein. Thus, advantageously, an adjoining the charge air outlet 13 of the exhaust gas turbocharger 6 pipe 14 with the absorption silencer 21, or an opening into the intercooler 12 diffuser 15 with the absorption silencer 21, or the charge air outlet 13 forming pressure port of the compressor 8 of the exhaust gas turbocharger 6 with the absorption silencer be.
Alternativ oder zusätzlich zum beschriebenen, dem Rohr 14 zugeordneten Schalldämpfer 21, kann natürlich auch noch weiteren strömungsführenden Elementen innerhalb des Abgasturboladers 6 oder im Bereich seiner Peripherie ein Schalldämpfer erfindungsgemässer Art zugeordnet sein. Alternatively or in addition to the described, the pipe 14 associated muffler 21, of course, even further flow-guiding elements within the exhaust gas turbocharger 6 or in the region of its periphery, a silencer according to the invention type be assigned.
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